Поверхностное натяжение жидкости: что это такое и как его измерить

Поверхностное натяжение — это явление, которое проявляется на границе раздела двух фаз, например, жидкости и газа. Поверхностное натяжение связано с силами межмолекулярного притяжения, которые действуют на молекулы жидкости. Молекулы, находящиеся внутри жидкости, испытывают одинаковое притяжение со всех сторон, а молекулы, находящиеся на поверхности, испытывают большее притяжение со стороны жидкости, чем со стороны газа. Это приводит к тому, что поверхностные молекулы стремятся уменьшить свою потенциальную энергию, сокращая площадь поверхности жидкости.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл: энергетический и силовой. Энергетический смысл заключается в том, что поверхностное натяжение равно работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на единицу при постоянной температуре. Силовой смысл заключается в том, что поверхностное натяжение равно силе, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости. Эта сила направлена по касательной к поверхности жидкости и пропорциональна длине линии.

Поверхностное натяжение зависит от природы жидкости, температуры, свойств газа, с которым граничит жидкость, и наличия поверхностно-активных веществ, которые могут уменьшать или увеличивать поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение определяет многие явления, связанные с поверхностью жидкости, такие как форма капель, плавание насекомых, мыльные пузыри, капиллярность и другие.

В этой статье мы рассмотрим теоретические основы поверхностного натяжения, факторы, влияющие на него, методы его измерения и поверхностные явления, связанные с ним. Для более подробного изучения темы можно обратиться к следующим источникам:

Содержание
  1. Теоретические основы
  2. Интересные идеи о поверхностном натяжении
  3. Факторы, влияющие на поверхностное натяжение
  4. 4 интересных факта о поверхностном натяжении
  5. Методы измерения поверхностного натяжения
  6. Поверхностные явления, связанные с поверхностным натяжением
  7. Пять занимательных вопросов о поверхностном натяжении
  8. 1. Что такое капиллярное подъем?
  9. 2. Почему мыльные пузыри лопаются?
  10. 3. Как поверхностное натяжение влияет на жизнь растений и животных?
  11. 4. Как можно уменьшить или увеличить поверхностное натяжение воды?
  12. 5. Как поверхностное натяжение связано с мытьем посуды?
Похожая публикация:  Электричество: история исследования, виды и применение

Теоретические основы

Поверхностное натяжение — это термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. В СИ он измеряется в ньютонах на метр.

Поверхностное натяжение возникает из-за взаимодействия молекул жидкости друг с другом. Молекулы внутри жидкости притягиваются друг к другу со всех сторон. А молекулы на поверхности испытывают несбалансированное притяжение внутрь жидкости. Поскольку в жидкостях молекулы находятся на гораздо более близком расстоянии, чем в газах, на каждую молекулу в жидкости действуют не только силы отталкивания при сближении, но и силы притяжения при взаимном удалении. Во внутренних слоях это не играет большой роли, молекулы внутренних слоев жидкости ведут себя подобно молекулам газа. Однако, на граничном слое ситуация другая. Молекула граничного слоя жидкости испытывает отталкивание со стороны молекул, находящихся глубже, а с внешней стороны сил отталкивания нет. В результате молекулы в граничном слое жидкости находятся на больших расстояниях, чем молекулы во внутренних слоях. Силы отталкивания на таких расстояниях быстро уменьшаются, и силы притяжения становятся больше. Таким образом, жидкость в поверхностном слое находится в «растянутом» состоянии. Возникает сила, стремящаяся сжать этот слой. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Похожая публикация:  Методология и принципы: Сущность системного подхода

Физический смысл поверхностного натяжения – это сумма сил притяжения молекул жидкости, которые не компенсируются силами отталкивания в результате того, что молекулы в поверхностном слое расположены на больших расстояниях, чем в глубине. Можно сказать, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают некоторой избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в глубине жидкости.

Поверхностное натяжение зависит от температуры, состава и чистоты жидкости, а также от природы фазы, с которой она контактирует. Обычно поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры, так как тепловое движение молекул ослабляет их взаимодействие. Поверхностное натяжение также уменьшается при добавлении в жидкость поверхностно-активных веществ, таких как мыло или детергент, которые снижают силы притяжения между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение может быть разным для разных фаз, с которыми контактирует жидкость. Например, поверхностное натяжение воды в воздухе больше, чем воды в парафине.

Для количественной характеристики поверхностного натяжения используется формула:

$$sigma = frac{A}{l}$$

где $sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, $A$ — работа, затраченная на увеличение поверхности жидкости, $l$ — увеличение длины контура поверхности жидкости. Единицей измерения поверхностного натяжения в СИ является ньютон на метр (Н/м).

Поверхностное натяжение приводит к ряду интересных явлений, таких как капиллярность, формирование пузырьков и капель, плавание насекомых на поверхности воды и т.д. Поверхностное натяжение также играет важную роль в биологии, химии, технологии и других областях науки и практики.

Интересные идеи о поверхностном натяжении

Поверхностное натяжение — это явление, которое проявляется на границе раздела жидкости и газа. Оно связано с взаимодействием молекул жидкости, которые притягиваются друг к другу больше, чем к молекулам газа. Поверхностное натяжение определяет форму капель, пузырей, струй и других объектов, состоящих из жидкости. Поверхностное натяжение также влияет на многие явления в природе и технике, такие как плавание насекомых, движение жидкостей в трубках, распыление жидкостей и др.

Вот некоторые интересные идеи, связанные с поверхностным натяжением:

  • Эффект Лотоса . Это явление, при котором поверхность листа лотоса отталкивает воду и грязь, оставаясь сухой и чистой. Это связано с тем, что поверхность листа имеет микроскопическую структуру, состоящую из восковых бугорков, на которых вода образует капли с большим углом смачивания. Такие капли легко скатываются с листа, унося с собой частицы грязи. Этот эффект используется для создания самоочищающихся материалов и покрытий .
  • Эффект Левенгука . Это явление, при котором вода поднимается по тонкой трубке, вставленной в жидкость с большим поверхностным натяжением. Это связано с тем, что вода смачивает стенки трубки, образуя мениск, который создает разность давлений между внутренней и внешней частью трубки. Эта разность давлений приводит к подъему воды по трубке. Этот эффект был открыт Антонием ван Левенгуком в 1674 году .
  • Эффект Марангони . Это явление, при котором жидкость течет по поверхности в направлении увеличения поверхностного натяжения. Это связано с тем, что поверхностное натяжение зависит от температуры, концентрации растворенных веществ и других факторов. Если на поверхности жидкости есть градиент этих факторов, то возникает градиент поверхностного натяжения, который создает силу, движущую жидкость. Этот эффект играет роль в термокапиллярной конвекции, формировании мыльных пленок, распространении пожаров и др. .
  • Эффект Релея . Это явление, при котором тонкая струя жидкости с большим поверхностным натяжением разбивается на капли. Это связано с тем, что струя неустойчива к малым возмущениям, которые усиливаются за счет поверхностного натяжения. Когда амплитуда возмущений достигает критического значения, струя разрывается на капли, которые имеют меньшую поверхностную энергию. Этот эффект был изучен Лордом Релеем в 1878 году .

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это свойство жидкости, проявляющееся в том, что ее поверхность ведет себя как эластичная пленка. Поверхностное натяжение зависит от сил притяжения между молекулами жидкости и молекулами окружающей среды, а также от размера и формы молекул жидкости и температуры. Существует несколько факторов, которые могут изменять поверхностное натяжение жидкости:

  • Природа жидкости. Жидкости, в которых молекулы сильно притягиваются друг к другу, имеют большее поверхностное натяжение, чем жидкости, в которых молекулы слабо притягиваются друг к другу. Например, вода имеет большое поверхностное натяжение из-за сил водородной связи между ее молекулами, а ртуть имеет еще большее поверхностное натяжение из-за сил металлической связи между ее атомами. С другой стороны, органические жидкости, такие как бензол и спирты, имеют меньшее поверхностное натяжение из-за слабых сил дисперсии между их молекулами .
  • Природа окружающей среды. Поверхностное натяжение жидкости зависит от сил притяжения между молекулами жидкости и молекулами окружающей среды. Если эти силы примерно равны, то поверхностное натяжение будет небольшим, так как поверхностные молекулы жидкости не будут сильно отличаться от внутренних. Например, поверхностное натяжение воды в воздухе равно 0,07275 Дж/м 2 при 20 °C. Если же силы притяжения между молекулами жидкости и окружающей среды сильно различаются, то поверхностное натяжение будет большим, так как поверхностные молекулы жидкости будут стремиться уменьшить контакт с окружающей средой. Например, поверхностное натяжение воды в вакууме равно 0,133 Дж/м 2 при 20 °C.
  • Температура. Поверхностное натяжение жидкости уменьшается с увеличением температуры, так как при повышении температуры молекулы жидкости движутся быстрее и их кинетическая энергия лучше преодолевает силы, которые их связывают. Например, поверхностное натяжение воды уменьшается с 0,07275 Дж/м 2 при 20 °C до 0,0589 Дж/м 2 при 100 °C.
  • Примеси. Поверхностное натяжение жидкости может изменяться в зависимости от того, какие примеси добавлены в жидкость. Если примеси хорошо растворяются в жидкости, то они могут увеличивать поверхностное натяжение, так как они усиливают силы притяжения между молекулами жидкости. Например, поверхностное натяжение воды увеличивается при добавлении соли. Если же примеси плохо растворяются в жидкости, то они могут уменьшать поверхностное натяжение, так как они ослабляют силы притяжения между молекулами жидкости. Например, поверхностное натяжение воды уменьшается при добавлении мыла, моющего средства, деттола, фенола и т.д.. Кроме того, если примеси распространяются по поверхности жидкости, то они могут уменьшать поверхностное натяжение, так как они создают неравномерность на поверхности. Например, поверхностное натяжение воды уменьшается при распространении пыли или масла по ее поверхности.

В таблице 7.1.1 приведены значения поверхностного натяжения некоторых распространенных жидкостей при 25 °C.

Жидкость Формула Поверхностное натяжение (мН/м)
Вода H 2 O 72,8
Ртуть Hg 485,5
Этанол C 2 H 5 OH 22,3
Октан C 8 H 18 21,8
Этиленгликоль CH 2 (OH)CH 2 (OH) 48,0
Мед Переменная ~2000–10000
Моторное масло Переменная ~50–500

Источники:

4 интересных факта о поверхностном натяжении

Факт 1: Поверхностное натяжение зависит от молекулярных сил притяжения между молекулами вещества. Чем сильнее эти силы, тем выше поверхностное натяжение.

Факт 2: Факторы, влияющие на поверхностное натяжение, включают температуру, давление, примеси веществ и их концентрацию. Изменение любого из этих факторов может повлиять на поверхностное натяжение.

Факт 3: Методы измерения поверхностного натяжения включают метод падающей капли, метод пузырька и метод пленки. Каждый из этих методов основывается на различных физических принципах.

Факт 4: Поверхностное натяжение играет важную роль в ряде поверхностных явлений, таких как капиллярность, смачивание и пенообразование.

Методы измерения поверхностного натяжения

Методы измерения поверхностного натяжения играют важную роль в исследованиях и практических приложениях. Существует несколько основных методов измерения поверхностного натяжения, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.

Один из наиболее распространенных методов — метод измерения капиллярного подъема. Этот метод основан на явлении капиллярности, когда жидкость поднимается в узкой призматической капиллярной трубке. Измерение высоты подъема жидкости позволяет определить ее поверхностное натяжение.

Другой метод — метод измерения угла смачивания. Он основан на взаимодействии между жидкостью и твердым веществом. Измерение угла смачивания позволяет оценить поверхностное натяжение жидкости и ее взаимодействие с твердым веществом.

Также существуют методы, основанные на использовании пузырьков и пленок. Метод измерения пузырьков основан на измерении давления, необходимого для образования пузырька в жидкости. Метод измерения пленок основан на измерении толщины пленки, образующейся на поверхности жидкости.

Кроме того, современные технологии позволяют использовать методы с использованием интерферометров, электрических сил и других физических явлений для измерения поверхностного натяжения.

Все эти методы имеют свои преимущества и ограничения, и выбор конкретного метода зависит от целей и условий исследования.

Поверхностные явления, связанные с поверхностным натяжением

Поверхностное натяжение — это свойство жидкости проявляться в виде силы, удерживающей ее поверхность в целостном состоянии. Это явление ведет к следующим поверхностным явлениям:

  • Капиллярное явление: когда жидкость погружается в узкую трубку, она восходит или опускается внутри нее, в зависимости от соотношения сил капиллярного давления и силы тяжести.
  • Мокрость и намокание: некоторые материалы позволяют жидкости легко распространяться по их поверхности, в то время как другие отталкивают жидкость.
  • Поверхностное натяжение и промывание: поверхность жидкости может обладать достаточным сопротивлением, чтобы промывать частицы с поверхности твердого тела.
  • Эффекты поверхностного натяжения в биологических системах: поверхностное натяжение играет важную роль во многих биологических процессах, таких как дыхание, поедание и пищеварение.

В таблице ниже приведены некоторые из методов измерения поверхностного натяжения:

Метод измерения Принцип работы
Метод покрытия каплями Измерение размера и формы капель на плоской поверхности
Метод парамагнитных частиц Измерение перемещения парамагнитных частиц в магнитном поле
Интерференционная методика Измерение изменения интерференционной картины на поверхности жидкости

Пять занимательных вопросов о поверхностном натяжении

1. Что такое капиллярное подъем?

Капиллярное подъем — это явление, при котором жидкость поднимается или опускается в тонкой трубке (капилляре) под действием сил поверхностного натяжения. Если жидкость смачивает стенки капилляра, то она поднимается, образуя выпуклый мениск. Если жидкость не смачивает стенки капилляра, то она опускается, образуя вогнутый мениск. Высота капиллярного подъема зависит от радиуса капилляра, коэффициента поверхностного натяжения жидкости, угла смачивания и плотности жидкости.

2. Почему мыльные пузыри лопаются?

Мыльные пузыри лопаются по разным причинам. Одна из них — испарение воды из тонкой пленки, из которой состоит пузырь. Это приводит к уменьшению толщины пленки и ее растяжению. Когда толщина пленки становится меньше длины волны света, она перестает отражать свет и становится невидимой. Это означает, что пленка на грани разрыва. Другая причина — механическое повреждение пленки. Если на пузырь попадает пылинка, капля дождя, ветер или другой пузырь, то это может привести к образованию дырки в пленке, через которую выходит воздух из пузыря. Также пузырь может лопнуть, если он соприкасается с сухой или грязной поверхностью, которая снижает поверхностное натяжение пленки.

3. Как поверхностное натяжение влияет на жизнь растений и животных?

Поверхностное натяжение играет важную роль в жизни растений и животных. Например, благодаря поверхностному натяжению вода может подниматься по капиллярам в стеблях растений и доставлять им питательные вещества и кислород. Также поверхностное натяжение позволяет некоторым насекомым, таким как водомерки, стрекозы и плавунцы, передвигаться по поверхности воды, не проваливаясь в нее. Это связано с тем, что ноги этих насекомых имеют особую структуру, которая создает воздушную подушку между ногой и водой, уменьшая давление на воду. Кроме того, поверхностное натяжение помогает некоторым животным, таким как ящерицы базилиски, бегать по воде, создавая волны, которые поддерживают их вес.

4. Как можно уменьшить или увеличить поверхностное натяжение воды?

Поверхностное натяжение воды можно уменьшить или увеличить разными способами. Один из них — изменение температуры воды. При повышении температуры воды поверхностное натяжение уменьшается, так как молекулы воды становятся более подвижными и слабее притягиваются друг к другу. При понижении температуры воды поверхностное натяжение увеличивается, так как молекулы воды становятся более плотно упакованными и сильнее притягиваются друг к другу. Другой способ — добавление в воду поверхностно-активных веществ, таких как мыло, шампунь, стиральный порошок и т.д. Эти вещества уменьшают поверхностное натяжение воды, так как они состоят из молекул, которые имеют гидрофильную (водолюбивую) и гидрофобную (водоотталкивающую) части. Гидрофильная часть молекулы ориентируется к воде, а гидрофобная — к воздуху. Таким образом, молекулы поверхностно-активных веществ образуют на поверхности воды тонкий слой, который снижает силу притяжения между молекулами воды. Еще один способ — добавление в воду солей, сахара, спирта и других растворимых веществ. Эти вещества увеличивают поверхностное натяжение воды, так как они занимают место между молекулами воды, увеличивая их плотность и силу притяжения.

5. Как поверхностное натяжение связано с мытьем посуды?

Поверхностное натяжение связано с мытьем посуды, так как оно определяет, насколько хорошо вода смачивает поверхность посуды и удаляет с нее грязь. Если поверхностное натяжение воды высокое, то вода плохо смачивает посуду, образуя капли, которые скатываются с нее, не забирая с собой грязь. Если поверхностное натяжение воды низкое, то вода хорошо смачивает посуду, равномерно распределяясь по ней, и лучше удаляет грязь. Для уменьшения поверхностного натяжения воды при мытье посуды используются моющие средства, которые содержат поверхностно-активные вещества. Они понижают поверхностное натяжение воды, улучшают ее смачивающие свойства, а также способствуют отделению грязи от поверхности посуды и ее диспергированию в воде.

Оцените статью
Поделиться с друзьями
Pk-obitelzla